兴城玄武岩锆石和金红石微量元素地球化学特征及其成因探讨

兴城玄武岩锆石和金红石微量元素地球化学特征及其成因探讨

辽宁省兴城市位于中国北方克拉通东北部边缘。从中生代开始，受太平洋板块滑动的影响，大型岩石圈减小，形成了断裂带。锆石是分布最广泛的副矿物之一，稳定性强，锆石t兴城玄武玢岩为华北克拉通东北缘早白垩世基性岩浆活动的产物，是研究克拉通北缘岩石圈减薄的理想对象。前人对兴城地区早白垩世火山岩做了系统的全岩地球化学、Sr-Nd-Pb同位素以及年代学分析。1岩浆活动分布华北克拉通位于中国东部，北靠中亚造山带，南邻秦岭-大别造山带(图1a)，具有太古宙-古元古代的结晶基底和中元古代以来基本未变质的沉积盖层。显生宙时期华北克拉通南、北、东3个方向分别受到了古特提斯洋、古亚洲洋和古太平洋板块俯冲的影响而发生了大规模岩浆活动(研究区位于华北克拉通北缘东部，燕山裂陷槽东段边缘，北邻兴蒙造山带，东南为华北断坳(区内岩浆活动主要发生在太古宙和中生代。太古宙花岗岩分布面积较大，岩性主要为黑云母花岗岩和二长花岗岩。中生代时期区内岩浆活动较为频繁，晚三叠世以石英二长岩和二长花岗岩为主，早中侏罗世早期岩性主要为石英二长岩、闪长岩和花岗斑岩，晚侏罗-早白垩世岩浆岩为以二长花岗岩为主的花岗质岩石和中基性火山岩(研究区内的构造演化史大体可分为3个阶段:太古宙-古元古代基底形成阶段、中元古代至早三叠世盖层发育阶段、晚三叠世至中生代末期的板内变形的活化阶段(2基性岩脉玄武岩镜研究区内广泛出露新太古代片麻状花岗岩，岩性主要为黑云母二长花岗岩、花岗闪长岩和花岗细晶岩等，其内部可见少量后期侵入的基性岩脉(玄武玢岩镜下呈斑状结构，斑晶主要为橄榄石，约占5%，基质主要为斜长石、辉石和玻璃质，约占90%以上(图3)。橄榄石斑晶呈无色粒状，他形-半自形，晶体发育裂纹，可见尖锐的六边形断面，二级到三级干涉色，部分橄榄石发生方解石化，其裂纹处可见方解石(图3c)。基质辉石呈纤维状，灰黑色，玄武质玻璃呈黄色，斜长石长条状，一级灰白干涉色(图3a、图3c)。3测试分析方法3.1锆石试样靶的制备和测试选取去除风化面后的新鲜玄武玢岩样品(LX01)进行锆石、金红石微量元素分析。微量元素分析测试在中国地质调查局天津地质调查中心实验测试室完成。在显微镜下挑选无裂痕、晶形完好的锆石制备样品靶，然后对其进行反射光、透射光分析。测试之前用酒精擦拭锆石样品靶表面，以除去污染。微量元素含量分析仪器为ResoneticsRESOlutionS-155ArF-Excime激光器和Agilent7900电感耦合等离子体质谱仪。激光剥蚀采样过程以He为载气，能量密度为10J/cm3.2采用锆铬合金ti计算方法与金红石或其他富Ti矿物共生的锆石，其Ti含量受温度影响极大(其中，Ti其中α(SiO4测试结果4.1锆的元素性能从表1可见，锆石样品稀土元素含量较高，总稀土元素含量为1211×10锆石是Hf的主要赋存矿物，样品中Hf含量为25038×104.2锆石的结晶温度利用公式(1)和(2)共获得了6组锆石结晶温度，如表1所示。公式(1)计算出的锆石结晶温度为751～1148℃，其中大部分温度值小于900℃，利用校正后的公式(2)计算出的温度结果为695～1069℃，且大部分温度值小于800℃(表1)。4.3金红石理论ti含量兴城玄武玢岩金红石微量元素见表2。表2中共有19组数据，其中15～19共5组数据由于其Ti含量明显偏离于金红石理论Ti含量故将其剔除。从表2可知，除金红石样品稀土元素含量明显较低，总稀土元素含量为1.31×105讨论5.1岩浆地球化学特征锆石Th-U图解显示，Th/U值主要为0.1～1(图6a)，显示锆石为岩浆成因(兴城玄武玢岩锆石在稀土元素球粒陨石标准化图解上同时出现明显的Ce正异常和不同程度Eu负异常，说明氧逸度不是控制岩浆Ce、Eu异常的唯一条件(锆石结晶温度计在一定程度上可以反映其成因和来源，通常地幔岩石发生部分熔融有3种可能机制(对华北克拉通北缘辽西地区晚中生代(130±30Ma)中基性火山岩开展了系统的全岩主微量分析，其中玄武岩样品多为碱性玄武岩，少量为亚碱性，稀土元素配分曲线显示所有玄武岩样品具有弱Eu负异常，轻稀土元素比较富集。微量元素蛛网图显示该区大部分玄武岩亏损Nb、Ti高场强元素，富集Pb，此外Ba等大离子亲石元素也相对富集，这与华北克拉通古老岛弧型镁铁质岩浆微量元素分配模式一致(兴城玄武玢岩金红石LREE相对HREE比较富集，两者分异不明显，微量元素原始地幔标准化图解显示，Nb、Ti等高场强元素不亏损，其中Ti强烈富集，Rb、Sr等大离子亲石元素则表现出亏损(图5b)。一般认为，在俯冲带地区弧下深度(>80km)的脱水过程中流体活动性强的不相容元素发生丢失，由于金红石相对稳定，故在弧下深度所产生的岩浆相对富集大离子亲石元素和不相容元素，亏损高场强元素。相反在200km以上的弧后深度金红石会发生分解从而产生亏损Pb，而不亏损Nb、Ta的熔体，这与新生岛弧型岩浆的微量元素特征相一致(综合锆石结晶温度，锆石、金红石微量元素特征以及辽西早白垩世玄武岩全岩主微量元素特征，认为地幔楔交代橄榄岩为兴城玄武玢岩岩浆源区，其是由早期俯冲的古太平洋板块衍生流体交代上覆岩石圈地幔橄榄岩所形成。早白垩世时期由于俯冲的古太平洋板块发生回撤，造成软流圈地幔大规模东向运动(地幔风效应)，因此上覆地幔楔交代橄榄岩在对流地幔侧向热侵蚀影响下发生部分熔融形成古老岛弧型镁铁质岩浆，并在后期向上运移和喷出地表的过程中经历分离结晶作用和氧化作用，最终冷凝结晶形成兴城玄武玢岩。5.2古太平洋动力学构造岩石圈自由基岩中生代早白垩世大规模的岩浆作用表明华北克拉通在这一时期发生了大规模的岩石圈减薄(华北中生代镁铁质基性岩浆源区主要有两种性质，一种是上文提到的古老岛弧型系列，其次为新生洋岛型系列(分析了华北克拉通北缘辽西地区晚中生代(130±30Ma)玄武岩Sr、Nd同位素，所有玄武岩样品εNd(t)值为-17.8～-4.9，均小于0,一般情况下认为古老岛弧型镁铁质岩浆是由于俯冲大洋板片在弧下深度发生高压低温部分熔融形成(综上所述，兴城玄武玢岩岩浆是由华北克拉通北缘典型的中生代古老岛弧型镁铁质岩浆演化而来。古太平洋板块俯冲是控制华北克拉通岩石圈减薄的一级动力学机制，软流圈地幔侧向热侵蚀或岩石圈地幔的拆沉为二级机制。华北克拉通中生代岩石圈减薄的结束时间约在早白垩世晚期(105Ma左右)。6兴城玄武岩岩浆源区和形成时代(1)兴城玄武玢岩岩浆由华北克拉通古老岛弧型岩浆演化而来，源区为岩石圈地幔交代橄榄岩。岩浆在喷出地表的过程中经历了氧化作用和分离结晶作用，锆石结晶温度约为730℃，与大部分幔源锆石结晶温度一致。(2)俯冲的古太平洋板块在弧下深度发生脱水，其衍生流体向上运移交代上覆岩石圈地幔橄榄岩，形成了兴城玄武玢岩岩浆源区。早白垩世晚期(105Ma左右)地幔交代橄榄岩在软流圈地幔侧向热侵蚀作用下发生部分熔融形成古老岛弧型镁铁质岩浆。(3)华北克拉通中生代岩石圈减薄结束时间可推到早白垩世晚期105Ma左右。造成华北克拉通岩石圈减薄的一级机制为高角度俯冲的古太平洋板片在早白垩世时期发生回卷，二级机制为软流圈地幔对上覆岩石圈地幔的侧向热侵蚀或拆沉。锆石U-Pb年代学研究结果表明兴城黑云母二长花岗岩结晶年龄为2496±18Ma，花岗细晶岩的结晶年龄为2479